无刷直流电机驱动控制器采用纯硬件模式设计，详细介绍了各控制器模块的设计，包括PI速度和电流控制器，电流感应模块，电源模块。度和位置检测，PWM发生器和开关控制模块。统控制电路集成在单个FPGA上，提高了系统的集成度，稳定性和可靠性，便于修改和升级。
件仿真和实验结果表明，该控制器设计合理，运行稳定。场可编程门（FPGA）;无刷直流电机; IP; PWM; Verilog HDL语言中图分类号：TP23文献标识码：A文章编号：1004-373X（2010）11-0117-04SOPC电流电机技术无刷驱动ControllerQI辉，雷杨杰（北京科技大学，北京100124）摘要：采用纯硬件方法设计了直流无刷电机控制器。个控制器模块的设计介绍了电流PI控制器，电流感应模块，速度和位置检测模块，PWM发生器和开关控制模块。统控制电路集成在一个单独的FPGA中，系统的集成度，稳定性和可靠性得到改善，系统易于使用。
行修改和升级。真和实验结果表明，该系统设计合理，运行稳定关键词：FPGA，DC无刷电动机，PI，PWM DC马达没有HDL扫帚的Verilog HDL无刷火花开关，小尺寸，低噪音和许多其他好处[1]，广泛应用于今天的控制系统。前，无刷直流电动机的控制主要由单片机和DSP实现[2]。而，其外围电路很复杂并且对系统的稳定性和可靠性具有显着影响。年来，基于FPGA（可编程门阵列）的硬件设计技术已成为一种新的设计理念。专用集成电路（ASIC）不同，FPGA实际上只是标准单元的矩阵，它不具有通用集成电路的功能，但用户可以重新编程内部。用专用的跟踪工具。时设计您自己的专用集成电路，以提高产品的竞争力。于它是在纯硬件中并行处理而不需要CPU资源，因此可以实现高性能。
文采用纯硬件设计和实现无刷直流电机驱动控制器，包括PI调节算法，外围电路简单，实时控制速度快速度快，系统稳定可靠。刷直流电动机的工作原理主要由三部分组成：电动机本体，位置传感器和电子开关电路。本原理是借助于反映转子位置的位置信号通过控制电路控制逆变器电路的功率开关元件，从而以一定的顺序供给电枢绕组。而在间隙中产生旋转磁场并旋转永磁转子。接在DC马达的三相无刷四个极星采用双向传导的模式：位置传感器作为在DC无刷电动机转子的磁极位置的测量，并提供信息逻辑开关电路的切换点[3]。流无刷电机的转子位置信号由三个霍尔效应传感器（Sa，Sb，Sc）检测，相位差为120°。尔效应传感器的栅极信号在一个周期中具有六个状态，如图4所示。
刷直流电机控制系统的工作原理如图2所示。据霍尔信号，FPGA控制器产生PWM信号并通过控制电路将其发送到逆变器开关管。令（Th1）。〜Th6），从而以一定的顺序控制电动机相绕组的运行，以获得无刷直流电动机的正常运行。制器多亏了现代科技进步的整体设计，驱动控制器要求的速度，实时性和精度，这给在高性能FPGA广阔的应用前景方面更高的要求控制器开发领域。系统采用XC3S1500 FPGA作为无刷直流电机控制系统的补充，采用闭环双环速度和电流控制策略调节速度[4-5]。3是DC无刷电机驱动控制器的逻辑硬件结构图，每个模块根据硬件逻辑设计，模块之间使用串行连接，HallSa信号， Sb，Sc被修改。位控制模块输出来自6通开关管的信号，速度反馈速度n由位置和速度检测模块计算，并由速度控制器通过速度参考Speed_Ref进行调节。USpeed_Ref获得电流环路，并控制A / NA转换输出。相电流B通过电流检测模块的输出总线的电流Idc，以及与USpeed_Ref巡航控制的输出值，由输出服务信号Comp电流调节器来调整宽度PWM波达到调速的目的。刷直流电动机由数字电路控制，大大提高了系统的稳定性。有电动机的硬件逻辑设计结构的balaiFig.3图对应的电动机控制系统的操作的信号HallFig.2原理驱动控制器模块的控制器无刷设计图1电机控制逻辑图高精度PWM发生器采用自然采样方法产生PWM波形，其结构如图4所示，因为自然采样方法能更好地体现PWM控制的思想，效果更好[6]。发生器由现场可编程门系统实现，具有界面简单，响应速度快，现场编程等优点，可应用于全数字控制[7-8] 。波发生器使用锯齿波作为PWM载波。电路的角度来看，锯齿波发生器设计比三角波发生器的设计使用更少的组合逻辑资源。于较高频率的时序约束是有利的;比较模块是不同的。辑比较普通纯组合插入所述比较器的内部的第一电平d触发器通过实例化子元件底层FPGA，这显著降低了组合逻辑延迟由于在的宽度的增加数据位; PWM波周期调整模块分频模块可根据需要改变PWM频率，分频模块可解决宽带长传输链引起的延迟问题很长一点。PWM发生器硬件结构逻辑图开关控制模块开关控制模块根据开关设备的状态以组合逻辑的形式传输六通道Th1~Th6开关信号。相霍尔信号（见图1）。关管导通弱，开关管Th1，Th3和Th5接收PWM波发生器输出的PWM，即系统采用半桥调制模式和同步模拟波形如图4所示。该图中，图1至图6示出了霍尔信号周期中的开关管的六种状态（对应于图1）。5同步仿真同步仿真波形速度控制器和当前速度环以及电流环使用增量PI调整算法，PI实现PI调节器，即数字电路实现PI控制算法，应用此硬件算法提高控制器的可靠性和实时性，同时消除计算机对控制系统的影响。PI算法的硬件逻辑结构在图6中所示的PI算法如下：量Δu（K）= KP [E（k）的-e（K-1）] KIe（K u）（u）（u）对于样本数k = 0，1，2，… 。u（k）是第k个采样时间的输出值; u（k-1）是第（k-1）个采样时间的输出值; e（k）是在第k个采样时间输入的偏差值; r（k）是指示的系统; c（k）是系统的返回输入; KP是比率系数，KI是积分系数。PI算法的图6中的硬件逻辑结构是给出了CLK时钟信号REF被给定信号FDB是所述返回信号，并且PI_Result PI.Pour调节器的输出，以匹配结果返回AD，该使用了带符号的13位数字。KP和KI是PI参数。块的完整操作是首先评估数据符号，然后执行常见计算。作结果的符号由先前获得的数据符号确定。步控制子模块用于控制控制器的其他模块的操作顺序;偏转模块负责给定信号和反馈信号之间的差异，并将结果传送给比例模块和集成模块;比例模块实现比例系数和电流偏差以及更高的值。的偏差之间的差的产品，所述积分模块执行积分系数和偏转电流的乘积，求和单元计算当上述模块的输出是有效的输出的偏差，并且总和这次获得了偏差和先前的输出值。整结果和输出。PI调整算法在速度控制器和电流调节器中实例化。出结果限制也在模块中定义。果输出值大于或等于系统限制值，则控制器使用限制值作为当前输出值。
流检测模块的电流反馈检测模块包括电流采样，滤波模块和多路复用器，硬件逻辑结构图如图7所示。于AD7862AR-2模拟装置AD7862，在高速12位AD平行芯片，具有250个KSPS的最大采样频率，2.5 V的内部参考电压，电压 5 V操作和两个通道A和B.每个通道有两个输入端子（VA1，恒温阀芯VA2和VB1，VB2）。个输入都可以同时转换。统分别对A相使用通道A的两个输入，并对B相的电流进行采样。
述AD Ia_Fin控制器和Ib_Fin的输出信号分别对应于所述相电流A和相位B，并输出到经由filtrage.Le多路复用器电路的多路转换器确定该母线电流是目前相电流A或相电流B和电流取决于开关管的状态。负关系允许对瞬时电流进行精确采样并提高控制精度。据采样时序图AD7862的当前逻辑块的逻辑结构的图7图，AD控制器控制控制器芯片AD.Le AD AD的动作可以调整采样频率250 KSPS最大价值100 KSPS用于验证目的。拟波形符合AD7862的采样时间线并通过测试。8显示了AD控制器的同步仿真波形。8 AD控制器同步仿真速度和速度检测模块的位置信号由三个霍尔效应传感器获得，每个传感器产生一个脉冲宽度为180°的输出信号，如如图9所示，Sa，Sb，Sc分别代表三相霍尔信号，而Clk是高频时钟脉冲。机速度的测量分为M法，T法和M / T法，T法的速度适用于低速段。设计采用T方法的速度测量[8]。于霍尔信号Sa的每个周期，主计时脉冲由计数器计数，并且速度由分频器计算。算公式为：Speed_out = 60×f0/ Z×Count_reg其中：f0为系统时钟; Count_reg是一个周期内霍尔信号的脉冲计数值; Z是车床电机输出的霍尔信号数，因为它是五极电机，所以Z = 5.图9三相霍尔信号的输出波形图10显示位置和速度检测设备的逻辑结构图。将三相霍尔信号传递到数字滤波器模块之后，计数器以霍尔信号Sa作为16位除法开始。单元的操作分割后的分母中的入口提供Speed_out速度并且在霍尔信号Sa.时间的下一周期的有效信号输出OutValid_Speed模块的计算结果操作与分隔符的内部结构有关。
验结果为额定功率PN= 300 W，额定电压UN= 220 V，额定转速nN = 3，000 rpm，额定电流IN= 1，6 A，额定转矩TN= 0.96。Nm的无刷直流电机经过测试。个实验系统还包括控制单元，电源电路和FPGA承载测试平台。实验使用速度和电流的双回路调节。
电机达到1000 rpm的速度时，空白启动响应波形如图11所示。置时间为300 ms，稳态性能为不错。统装有测功机，负载为0.3 Nm .B相电流波形如图12所示，充分说明了控制器的精度，并显示了电机稳定地转动。10位置和速度检测硬件的逻辑结构图11启动速度响应信号的波形图12使用FPGA硬件可编程逻辑，相位和B相电流波形的结论，直流无刷直流电机硬件控制电机控制的结果表明该电路可以有效地加倍无刷直流电机的控制。计特点是所有控制电机外围电路，包括PI调谐算法，都由FPGA实现，它执行电机的SOPC控制，系统提供高性能和可靠性。
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